基于分布式與聯(lián)合優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚機制

劉韜，李天瑞，談文蓉，殷鋒

（1. 西南民族大學 計算機科學與技術學院，四川 成都 610041；2. 西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)中，數(shù)據(jù)匯聚是指將不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)收集到匯聚節(jié)點（sink），顯然，數(shù)據(jù)（信息）匯聚是無線傳感器網(wǎng)絡典型的傳輸形態(tài)[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)匯報方式，無線傳感器網(wǎng)絡大致可以分為事件驅動型和周期匯報型2類網(wǎng)絡[2]。在事件驅動型傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點平時很少產(chǎn)生數(shù)據(jù)，僅在待監(jiān)測的事件發(fā)生時才產(chǎn)生事件報告；而在周期匯報型傳感器網(wǎng)絡中，所有節(jié)點周期性地向匯聚節(jié)點報告采集到的信息，直到網(wǎng)絡生命周期結束。與事件驅動型網(wǎng)絡相比，周期匯報型網(wǎng)絡中對節(jié)點匯報信息實時性要求往往較低，但每個節(jié)點都需要向匯聚節(jié)點周期性地發(fā)送信息，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量大，節(jié)點能耗高，且節(jié)點的無線信號沖突概率高，節(jié)點之間的無線信號相互干擾，MAC層設計復雜。

本文針對這些難點，提出了一種適用于周期匯報型網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)匯聚機制(DDSM)。該機制在“梯度匯聚”模型的基礎上，聯(lián)合優(yōu)化MAC層和網(wǎng)絡層功能，采用節(jié)點周期性睡眠/工作的節(jié)能調度方法，分布式地建立每個節(jié)點的優(yōu)化路由及工作時隙。本文的主要貢獻在于以下幾點。

1) 提出一種完全分布式的由各個節(jié)點自行確立優(yōu)化路由和工作時隙的機制，使該機制具有很強的實用性，并且采用該機制的網(wǎng)絡具有良好的可擴展性和可維護性。

2) MAC層采用分布式TDMA的機制，并采用聯(lián)合優(yōu)化的思想，融合網(wǎng)絡層、MAC層，使節(jié)點優(yōu)化路由的建立、發(fā)送時隙的分配以及節(jié)點的時鐘同步在一個過程中完成，放棄了單層優(yōu)化、各層獨立設計的手段，顯然具有更高的效率，且節(jié)約了能量。

3) 由于節(jié)點間的相互干擾，節(jié)點發(fā)送時隙的確立是一個難題。DDSM采用RTS/Final_RTS/CTS的辦法來解決該問題，即通過多次向鄰居節(jié)點廣播試探性RTS消息，直至沒有收到否定應答幀NAK來確定發(fā)送時隙。

2 相關工作

不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議棧的層次結構，無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧一般被分為4層[3]:應用層、網(wǎng)絡層、媒體介質訪問控制（MAC，medium access control）層和物理層。近年來，研究人員提出了許多數(shù)據(jù)收集協(xié)議，例如:網(wǎng)絡層上，LEACH[4]是比較有代表性的分簇路由算法，而朱紅松等提出了一種精細化梯度的數(shù)據(jù)匯聚機制 FGS[1]；MAC層上，經(jīng)典的S-MAC[5]協(xié)議通過采用周期性偵聽/睡眠工作方式來減少空閑偵聽；文獻[6]提出了一種由發(fā)送節(jié)點發(fā)起建立連接的異步低占空比、低碰撞的PB-MAC協(xié)議算法。這些網(wǎng)絡協(xié)議大都采用單層優(yōu)化的方案，各層相互獨立。這種單層優(yōu)化的方法雖然給網(wǎng)絡協(xié)議的模塊化帶來了方便，但各層之間的相互獨立、不能協(xié)作，導致網(wǎng)絡的整體性能不能達到最優(yōu)[2]。

聯(lián)合優(yōu)化設計的方法是近幾年來提出的主要用于無線網(wǎng)絡的設計方法，其設計思路是融合網(wǎng)絡層、MAC層和物理層設計網(wǎng)絡協(xié)議，多個層綜合考慮優(yōu)化，打破層與層之間的獨立性，從全局的角度對系統(tǒng)的資源進行整合，能最大程度地節(jié)約節(jié)點的能量[7]。王辛果等在文獻[2]中提出一種時延受限且能量高效的跨層路由協(xié)議，該協(xié)議在做出路由決定時考慮MAC層的相關信息。但該協(xié)議為事件驅動型網(wǎng)絡而設計，在設計中較少考慮節(jié)點間信號的沖突和干擾問題，顯然不適用于周期匯報型網(wǎng)絡。李方敏等基于跨層優(yōu)化的策略提出了一種易于實現(xiàn)能動態(tài)適應網(wǎng)絡變化的能量有效的鏈路穩(wěn)定成簇算法[8]，但該算法沒有分析簇頭到匯聚節(jié)點的優(yōu)化路由，且沒有考慮信號沖突問題。文獻[9]結合MAC層協(xié)議與網(wǎng)絡層路由協(xié)議，提出了AIMRP協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，形成一個以匯聚節(jié)點為中心的多層環(huán)形結構，數(shù)據(jù)信息從外環(huán)逐環(huán)向內環(huán)傳遞。AIMRP協(xié)議同步精度要求高，但動態(tài)適應性差，只適用于小范圍的事件驅動型傳感器網(wǎng)絡。

文獻[10]提出了一種基于TDMA調度策略的跨層設計方案，該方案采用了分簇的結構，并通過構建涉及網(wǎng)絡層、MAC層和物理層的跨層優(yōu)化模型來獲得高能效的調度方案。該方案證明了傳感網(wǎng)的MAC層上采用TDMA機制具有零沖突、高能效的特點。但該方案是一種集中式的優(yōu)化方案，即由匯聚節(jié)點集中計算每個節(jié)點的路由或調度方案，再把優(yōu)化路由或調度方案發(fā)送給每個節(jié)點。集中式的算法缺乏可擴展性，網(wǎng)絡也不具備可伸縮性[11]且匯聚節(jié)點收集源節(jié)點自身信息和發(fā)布優(yōu)化方案的過程中會消耗大量能量。

文獻[12]提出了一個基于TDMA機制的跨層優(yōu)化數(shù)據(jù)收集協(xié)議 LEEMA，建立以匯聚節(jié)點為根的路由樹，再通過該路由樹為節(jié)點分配工作時隙。LEEMA采用的是最小跳數(shù)路由，該路由雖然建立簡單，但是不一定是最小能耗路由，其節(jié)能效果不一定最優(yōu)。另外，LEEMA沒有考慮負載均衡，容易形成能量空洞。

盡管在近幾年來，對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)匯聚機制已經(jīng)有了相當?shù)难芯砍晒蠖蓟蚨嗷蛏俚卮嬖谝恍┤毕菖c不足。本文在此基礎上展開研究，在網(wǎng)絡層和 MAC層上進行聯(lián)合優(yōu)化，提出了一個完全分布式、高能效與低成本的數(shù)據(jù)匯聚機制。

3 系統(tǒng)模型

3.1 網(wǎng)絡模型

與文獻[1]和文獻[9]類似，本文中的傳感器網(wǎng)絡采用“梯度匯聚”模型將節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點。假設網(wǎng)絡中所有的節(jié)點均勻分布于監(jiān)控區(qū)域中，sink位于區(qū)域中心，節(jié)點密度為p。所有的節(jié)點具有相同的最大無線傳輸距離R。網(wǎng)絡被劃分為以sink為圓心的n個相鄰的環(huán)狀區(qū)域，也稱為“梯度”，d為每個圓環(huán)的寬度，所有節(jié)點位于各圓環(huán)內。從圓心向外，各圓環(huán)依次表示為C1，C2，…，Cn，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡模型(n=3)

針對周期匯報型傳感器網(wǎng)絡的特點，做如下說明。

1) 網(wǎng)絡中的每個節(jié)點周期性的采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。每個工作周期，每個節(jié)點產(chǎn)生一個固定大小的感應數(shù)據(jù)分組發(fā)往匯聚節(jié)點。

2) 節(jié)點路由采用“梯度匯聚”模型，處于圓環(huán)(梯度)Ci中的節(jié)點只能選擇圓環(huán)Ci-1中的節(jié)點作為下一跳的數(shù)據(jù)轉發(fā)節(jié)點(1

3) 所有節(jié)點能夠動態(tài)的調整其發(fā)射功率，例如，Berkeley Motes 節(jié)點就具有100個發(fā)射功率等級[13]。

4) 所有節(jié)點的時鐘能夠保持同步。

為了增加網(wǎng)絡的連通性，使

另外，經(jīng)信道衰減，無線信號最終能否被成功接收取決于接收端的信號與干擾、噪聲功率比SINR[2]。于是，采用式(2)來判斷目的節(jié)點能否正確接收無線信號

其中，S表示信號接收功率，W表示噪聲功率，I表示干擾信號功率。SINRthreshold表示一個門限值，通常它的值被設為10。假設噪聲很小，忽略接收端的噪聲功率，并假設B為接收節(jié)點，T為干擾節(jié)點的集合，可得

其中，Pr(B)與Pt(X)分別為接收節(jié)點B的接收信號功率和節(jié)點X的發(fā)送功率，d(X,B)為節(jié)點X與B的距離。

3.2 傳播模型

根據(jù)文獻[14]，當節(jié)點A發(fā)送無線信號到節(jié)點B時，節(jié)點B的接收信號功率Pr(B)為

其中，Pt(A)是節(jié)點A的發(fā)射功率，d(A,B)表示節(jié)點A和節(jié)點B之間的距離。本文假設傳感器網(wǎng)絡位于自由空間，則β=2。并且

其中，Gt和Gr分別是發(fā)射天線增益和接收天線增益，λ是信號波長。

3.3 相關定義

定義 1TRCS：載波監(jiān)聽門限或感應靈敏度。當節(jié)點接收信號功率大于等于TRCS時，節(jié)點才能感應到有信號發(fā)送。

定義 2TRRX：信號接收門限。當節(jié)點接收信號功率大于等于TRRX時，節(jié)點才能正確接收信號。

定義3RCS：載波最大監(jiān)聽距離。當節(jié)點以最大發(fā)射功率PtMax發(fā)射信號時，另一節(jié)點能感應到此次發(fā)送的最遠距離。根據(jù)式(4)可得

其中，β=2。

定義4R：最大無線傳輸距離。當節(jié)點以最大發(fā)射功率PtMax發(fā)射信號時，另一節(jié)點能正確接收此次發(fā)送的最遠距離。根據(jù)式(4)可得

4 若干關鍵問題

4.1 隱藏節(jié)點問題

目前，網(wǎng)絡通常采用 RTS/CTS(請求發(fā)送/允許發(fā)送)協(xié)議來解決“隱藏節(jié)點”的問題[15]。如圖 2所示，節(jié)點A欲向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，則：首先，A向B發(fā)送RTS信號，B收到RTS后，發(fā)CTS信號，表明已準備就緒，A可以發(fā)送，而其余收到CTS的節(jié)點則暫停發(fā)送。此協(xié)議認為節(jié)點發(fā)送CTS的范圍能夠覆蓋所有的隱藏節(jié)點，但在實際節(jié)點接收模型中，隱藏節(jié)點的分布范圍遠大于節(jié)點的發(fā)送范圍[15]。如圖 2所示，若每個節(jié)點能以最大發(fā)送功率發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號，則節(jié)點B的干擾節(jié)點區(qū)域是以節(jié)點B的圓心，RCS為半徑的圓，位于此圓內的節(jié)點發(fā)送信號都會對節(jié)點B的接收造成干擾。很明顯，節(jié)點B發(fā)CTS信號，最大發(fā)送功率為，只有與B的距離小于R的節(jié)點才能收到CTS信號，位于圖2中陰影區(qū)域內的節(jié)點無法收到CTS信號，而這些節(jié)點又處于節(jié)點B的干擾節(jié)點區(qū)域內，若它們此時發(fā)送數(shù)據(jù)，會對節(jié)點B的接收造成干擾，甚至影響接收，形成“隱藏節(jié)點”。這說明RTS/CTS協(xié)議在較低信噪比要求的情況下可以防止大部分隱藏節(jié)點，但是隨著信噪比要求的逐步提高，網(wǎng)絡中的隱藏節(jié)點分布范圍急劇增大，RTS／CTS協(xié)議防止隱藏節(jié)點的效率也隨之降低[15]。

圖2 RTS/CTS握手協(xié)議中的隱藏節(jié)點問題

為解決這一問題，本文借鑒文獻[16]的方法來改進RTS/CTS協(xié)議，即減小節(jié)點發(fā)送感應數(shù)據(jù)的最大發(fā)送功率，從而減小接收節(jié)點的干擾節(jié)點區(qū)域，確保接收節(jié)點以最大發(fā)送功率發(fā)送CTS信號時，干擾節(jié)點區(qū)域內的節(jié)點都能夠接收到 CTS信號。假設節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的最大發(fā)送功率限定為為了確保接收節(jié)點的干擾節(jié)點區(qū)域內的節(jié)點都能收到來自接收節(jié)點的CTS信號，干擾節(jié)點區(qū)域的最大半徑只能為R，根據(jù)式(4)可得

其中，β=2。結合式(7)可得

所以，為了避免“隱藏節(jié)點”的問題，“梯度匯聚”模型中每層圓環(huán)的寬度d重新調整為

4.2 “梯度匯聚”機制下的最小能耗路由

“梯度匯聚”機制下，節(jié)點只能將數(shù)據(jù)傳遞給相鄰環(huán)(梯度)中的節(jié)點。例如，如圖 3所示，節(jié)點D有2條路由到達sink，分別為D→B→A→sink和D→C→A→sink，節(jié)點D選擇哪條路由首先要判斷總能耗的大小。

圖3 “梯度匯聚”機制下的最小能耗路由

假設Emin(X)表示網(wǎng)絡中任一節(jié)點X生成一個感應數(shù)據(jù)分組到達匯聚節(jié)點的最小總能耗，Cos(X,Y)表示一個數(shù)據(jù)分組從節(jié)點X到達節(jié)點Y的能耗，則

其中，Pt(X)與Pr(Y)分別表示節(jié)點X發(fā)射功率和節(jié)點Y的接收功率，t表示節(jié)點發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)分組所花費的時間。為了進一步降低節(jié)點的能耗，盡量減小發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的功率，當接收端的接收信號功率等于信號接收門限TRRX時，結合式(4)，可以獲得節(jié)點發(fā)送信號所需的最小發(fā)射功率Ptmin

其中，d(X，Y)表示發(fā)送節(jié)點X與接收節(jié)點Y的距離。根據(jù)式(12)與式(13)，可得一個數(shù)據(jù)分組從節(jié)點X到達節(jié)點Y的最小能耗

其中，節(jié)點的接收功率一般為固定值Pr。若Sn為節(jié)點X位于相鄰梯度(相鄰內層圓環(huán))的鄰居節(jié)點集合，結合式(14)，Emin(X)可以通過式(15)計算。

如果節(jié)點獲得了它所有相鄰梯度的鄰居節(jié)點生成一個數(shù)據(jù)分組到達匯聚節(jié)點的最小總能耗，它就能根據(jù)式(15)計算得到它相應的最小總能耗，并選擇對應的鄰居節(jié)點為下一跳目的節(jié)點。當每個節(jié)點都確立了下一跳目的節(jié)點后，節(jié)點到達匯聚節(jié)點的優(yōu)化路由自然就確立了。所以，DDSM中，節(jié)點優(yōu)化路由的建立過程是由內而外，逐環(huán)建立的。即先由第1層圓環(huán)的節(jié)點先確立下跳目的節(jié)點，再由第2層圓環(huán)的節(jié)點確立下跳目的節(jié)點，以此類推，直至最外層。這樣做的目的是在內層圓環(huán)（梯度）的節(jié)點優(yōu)化路由的建立過程中，通知外層相鄰圓環(huán)鄰居節(jié)點其優(yōu)化路由等信息。當輪到外層相鄰圓環(huán)鄰居節(jié)點建立優(yōu)化路由時，就可以依據(jù)這些信息，通過式(15)做出選擇。

另外，節(jié)點選擇其下一跳路由節(jié)點時，還要注意平衡節(jié)點的負載，避免把某個節(jié)點頻繁選作路由中繼節(jié)點，從而過快耗盡能量造成能量空洞。

5 DDSM機制描述

TDMA機制是網(wǎng)絡無線信道分配機制之一，具有零沖突、高能效、低時延的特點，可以很好地應用于數(shù)據(jù)量大的周期匯報型傳感器網(wǎng)絡，所以DDSM采用TDMA機制實現(xiàn)無線信道分配。

DDSM按輪運行，每輪分為2個階段。第一階段是節(jié)點優(yōu)化路由和時隙調度表的建立階段:每個節(jié)點分布式地確立自身到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送路由、所需的發(fā)送功率以及相應子階段內的工作時隙；第二階段是節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚階段，節(jié)點根據(jù)分配好的工作時隙，周期性地從休眠狀態(tài)醒來，發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)則遵循建立好的優(yōu)化路由，由外而內，逐環(huán)(梯度)的方向向匯聚節(jié)點傳遞。每輪都要重新建立每個節(jié)點的工作時隙和發(fā)送路由是為了適應因個別節(jié)點位置變化或節(jié)點死亡而造成的網(wǎng)絡拓撲結構的變化。

5.1 數(shù)據(jù)匯聚階段

每輪的數(shù)據(jù)匯聚階段由若干個數(shù)據(jù)采集周期組成，所有節(jié)點在每個數(shù)據(jù)采集周期都要生成一個感應數(shù)據(jù)分組，并向匯聚節(jié)點發(fā)送。為避免沖突，如圖4所示，將一個數(shù)據(jù)采集周期再劃分為若干子周期，每個子周期再繼續(xù)劃分為m個時隙，單個時隙的長度等于節(jié)點發(fā)送一個感應數(shù)據(jù)分組所需的時間，m也必須足夠大使節(jié)點能夠有時間發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)分組。每個子周期分配給一個圓環(huán)(梯度)，位于圓環(huán)Ci(1＜i≤n)內的節(jié)點只能在每個數(shù)據(jù)采集周期的第n-i+1個子周期內的相應時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，而相鄰圓環(huán)梯度的節(jié)點則接收數(shù)據(jù)。例如，第一個子周期第3層圓環(huán)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，第2層圓環(huán)的節(jié)點則接收數(shù)據(jù)；而第2個子周期第2層圓環(huán)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，第1層圓環(huán)的節(jié)點則接收數(shù)據(jù)，以此類推，直至發(fā)送到匯聚節(jié)點。而節(jié)點在相應子周期的發(fā)送時隙則由 DDSM 在每輪的節(jié)點優(yōu)化路由和時隙調度表的建立階段中確立。

圖4 一個數(shù)據(jù)采集周期的時間劃分

5.2 節(jié)點優(yōu)化路由和時隙調度表的建立階段

DDSM在本階段采用多層次聯(lián)合優(yōu)化的思想，建立“梯度匯聚”機制下每個節(jié)點發(fā)往匯聚節(jié)點的優(yōu)化路由，并同時確立每個節(jié)點無沖突的時隙調度表。為了避免不同節(jié)點在建立路由和時隙調度表的過程中發(fā)生信號沖突，所有節(jié)點逐個輪流建立自己的優(yōu)化路由和時隙調度表。因為優(yōu)化路由的建立過程與時隙建立過程分別依賴不同方向的累積效應，將該階段劃分為2個子階段：節(jié)點優(yōu)化路由建立子階段和節(jié)點時隙調度表的建立子階段。

為了方便節(jié)點建立優(yōu)化路由和時隙調度表，每個節(jié)點都建立了2張表，內層圓環(huán)的鄰居節(jié)點信息表和節(jié)點的時隙情況表，例表分別如表1與表2所示。

表1中存儲的是節(jié)點的相鄰內層圓環(huán)中鄰居節(jié)點的信息。其中，NodeID是鄰居節(jié)點的ID，relayed是需要通過本節(jié)點中繼(轉發(fā))數(shù)據(jù)分組的節(jié)點數(shù)量。Emin是節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組到達匯聚節(jié)點過程中的最小能耗，dist是本節(jié)點到該鄰居節(jié)點的距離。assigned_slots[m]表示節(jié)點在數(shù)據(jù)匯聚階段相應的接收子周期內時隙占用情況的數(shù)組，1表示該時隙已被占用來接收某節(jié)點信號，0表示空閑。注意第1層圓環(huán)中節(jié)點的表1只需要記錄匯聚節(jié)點的相關信息。表2中存儲的是節(jié)點在一個子周期的每個時隙的情況表，包括節(jié)點在相應時隙內是否處于接收狀態(tài)receiving(1表示節(jié)點在該時隙內處于接收狀態(tài))和每個時隙的累積干擾信號功率Pinterfere，用于計算SINR。網(wǎng)絡初始化時，2張表為空表。節(jié)點在建立路由和時隙調度表的過程中，不斷完善這2張表。

表1 鄰居節(jié)點信息

表2 節(jié)點時隙情況

5.2.1 節(jié)點優(yōu)化路由建立子階段

以圖5所示為例，顯示了位于圓環(huán)Ci中的節(jié)點A使用算法1確立下一跳目的節(jié)點的過程，算法1具體步驟描述如下。

1) 節(jié)點A從表1中挑選負載（relayed）不超過τ的相鄰內層圓環(huán)中鄰居節(jié)點，即relayed≤τ(τ為節(jié)點允許通過本節(jié)點轉發(fā)的節(jié)點數(shù)量最大門限值，這樣做的目的是均衡同一層圓環(huán)內節(jié)點的負載)，并保存到集合Set中。

2) 若集合Set不為空，則以集合Set中的節(jié)點為A的中繼節(jié)點，結合表1中的相關信息，根據(jù)式(15)計算Emin(A)，并獲得中繼節(jié)點B，確定該鄰居節(jié)點B為下一跳目的節(jié)點，進入步驟4)。

3) 若集合Set為空，則τ=2τ，返回步驟1)。

4) 節(jié)點A設置發(fā)射功率為Ptm，發(fā)送消息RTS，消息中包含下一跳目的節(jié)點B的NodeID、節(jié)點A的梯度值(HC)和最低總能耗Emin(A)。

5) 節(jié)點B收到消息RTS后，修改表1中相應內容，然后以功率Ptm發(fā)送消息CTS。

6) 若節(jié)點A相鄰外層圓環(huán)中的鄰居節(jié)點收到RTS，如節(jié)點D，則據(jù)無線信號強度值RSSI（received signal strength indicator）來獲得2個節(jié)點的相對距離dist，根據(jù)式(4)可得

其中，β=2，Precv為接收端接收到的信號功率。

然后，節(jié)點D更新其表1中與節(jié)點A對應的相應內容（Emin，dist等）。

7) 若節(jié)點B相鄰外層圓環(huán)中的鄰居節(jié)點收到CTS，如節(jié)點F，則更新其表1中與節(jié)點B對應的相應內容（relayed=relayed+1）。

節(jié)點A完成上述RTS/CTS握手過程后，進入休眠狀態(tài)直至節(jié)點時隙調度表的建立子階段。

需要注意的是，根據(jù)文獻[17]的論證，不同層內節(jié)點的能耗是不可能完全均衡的，所以算法1確保同一層圓環(huán)內節(jié)點的負載均衡。

圖5 RTS/CTS握手過程

圖6給出網(wǎng)絡中節(jié)點優(yōu)化路由的建立過程：首先，由第1層圓環(huán)中的節(jié)點輪流執(zhí)行算法1，但要注意此時節(jié)點的目的節(jié)點只能是匯聚節(jié)點，并通知第2層圓環(huán)中的節(jié)點更新相關信息；然后，第2層圓環(huán)中的節(jié)點輪流執(zhí)行算法1，確定其位于第1層圓環(huán)中的下一跳目的節(jié)點，并通知第3層圓環(huán)中的節(jié)點更新相關信息；接著第3層，…，直至最外層圓環(huán)中節(jié)點完成此路由建立過程。

5.2.2 節(jié)點時隙調度表的建立子階段

在所有節(jié)點均確立了下一跳目的節(jié)點后，網(wǎng)絡進入節(jié)點時隙調度表的建立子階段。如圖6所示，該子階段與節(jié)點優(yōu)化路由建立的過程相反，所有節(jié)點按照由外到內的圓環(huán)順序輪流建立時隙調度表。即先由最外層圓環(huán)的節(jié)點先輪流確立發(fā)送時隙，建立時隙調度表，再由次外層圓環(huán)的節(jié)點建立時隙調度表，…，以此類推，直至第1層圓環(huán)。

圖6 節(jié)點優(yōu)化路由及工作時隙的建立順序

該子階段中，每個節(jié)點都需要維持變量load記錄一個數(shù)據(jù)采集周期內自己需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)量，包括轉發(fā)的數(shù)據(jù)分組和自己生成的數(shù)據(jù)分組，初始值為1。因為數(shù)據(jù)匯聚階段中，一個時隙的長度等于節(jié)點發(fā)送一個感應數(shù)據(jù)分組所需的時間，所以節(jié)點需要的時隙數(shù)量等于load。節(jié)點在確立一個發(fā)送時隙時，既要判斷目的節(jié)點在此時隙內是否是空閑的，還要判斷此次發(fā)送是否會影響該時隙內處于接收狀態(tài)的非目的節(jié)點的接收過程。DDSM 擬采用RTS/Final_RTS/CTS握手的辦法來解決該問題，即通過多次向鄰居節(jié)點廣播試探性RTS消息，直至沒有收到否定應答幀NAK來確定發(fā)送時隙。

位于圓環(huán)Ci(1

1) 節(jié)點A從表1中選擇下一跳目的節(jié)點B的最小空閑時隙，并根據(jù)式(13)計算節(jié)點A發(fā)送信號所需的最小發(fā)射功率，然后以最大發(fā)射功率發(fā)試探性的請求消息RTS，消息中包含欲請求的時隙號ReqSlot與的值。

2) 圓環(huán)Ci-1中的節(jié)點(除節(jié)點B)收到該RTS，則判斷自己在節(jié)點A的請求時隙內是否處于接收狀態(tài)，若處于接收狀態(tài)，則將節(jié)點A到節(jié)點B的信號發(fā)送視為對自己的干擾，結合節(jié)點A的發(fā)射功率，并根據(jù)表 2和式(3)計算SINR，若小于SINRthreshold則發(fā)否定應答消息NAK。

3) 目的節(jié)點B收到該RTS后，也根據(jù)表2和式(3)計算SINR，若小于SINRthreshold則同樣發(fā)否定應答消息NAK。

4) 節(jié)點A收到NAK或探測到有沖突發(fā)生，則說明該請求時隙被否定，重新從鄰居節(jié)點信息表中選擇下一跳目的節(jié)點B次小的空閑時隙，再次以最大功率PtMax發(fā)試探性的請求消息RTS，返回步驟2。

5) 節(jié)點A發(fā)了RTS后在大小為TimeOut的后續(xù)時間內沒有收到NAK或探測到有沖突發(fā)生，說明請求成功，節(jié)點A以最大功率PtMax再發(fā)最終的請求消息Final_RTS。

6) 目的節(jié)點B收到消息 Final_RTS后，修改load（load=load+1）及表2中對應時隙的接收狀態(tài)（receiving），以最大功率PtMax發(fā)送消息CTS；而節(jié)點A在相鄰內層圓環(huán)中的其他鄰居節(jié)點收到消息Final_RTS后，修改表2中對應時隙的累積干擾信號功率Pinterfere。

7) 節(jié)點B的相鄰外層圓環(huán)中的節(jié)點收到消息CTS后，更新其表1中節(jié)點B對應的空閑時隙表assigned_slots[m]，把請求時隙的對應位設置為1，表示該時隙已經(jīng)被占用。

因為一個時隙只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組，而每個節(jié)點有l(wèi)oad個數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送，所以節(jié)點重復執(zhí)行l(wèi)oad次算法2，申請load個時隙。

圖7描述了算法2的一次執(zhí)行過程（節(jié)點I與節(jié)點J位于圓環(huán)Ci-1中，且為A的鄰居節(jié)點）：首先，A發(fā)送請求消息RTS；節(jié)點I收到后，經(jīng)判斷，發(fā)送否定應答消息NAK；節(jié)點A收到NAK后，重新選擇請求時隙，并再次發(fā)送請求消息RTS；節(jié)點J收到后，經(jīng)判斷，再發(fā)否定應答消息NAK，…，此過程一直重復，直到?jīng)]有收到NAK或探測到?jīng)_突，于是發(fā)消息Final_RTS確認請求時隙，目的節(jié)點B發(fā)送消息CTS回應。

圖7 時隙請求算法中的消息

當?shù)趎層到第2層中的節(jié)點完成時隙調度表的建立后，第1層圓環(huán)中的節(jié)點則輪流直接向匯聚節(jié)點發(fā)送請求消息RTS，匯聚節(jié)點回復消息CTS，包含允許節(jié)點發(fā)送的發(fā)送時隙。

6 相關參數(shù)分析

6.1 參數(shù)m分析

DDSM中，參數(shù)m是一個數(shù)據(jù)采集周期中每個子周期的時隙數(shù)量，并且單個時隙的長度等于節(jié)點發(fā)送一個感應數(shù)據(jù)分組所需的時間。如果m的值過小，則可能會造成節(jié)點在其相應的發(fā)送子周期中沒有足夠的時間發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)分組；如果m的值過大，則會增加感應數(shù)據(jù)傳遞到匯聚節(jié)點的時延。

由于感應數(shù)據(jù)是按梯度逐級向匯聚節(jié)點傳遞的，每層圓環(huán)的節(jié)點都需要轉發(fā)外層圓環(huán)中節(jié)點的感應數(shù)據(jù)。很明顯，各層圓環(huán)中節(jié)點所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組是不相同的，內層圓環(huán)中的節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組往往較外層圓環(huán)中節(jié)點的數(shù)據(jù)分組多，也就需要更多的發(fā)送時隙。特別地，第一層圓環(huán)中的節(jié)點需要發(fā)送網(wǎng)絡中所有節(jié)點的感應數(shù)據(jù)分組，包括轉發(fā)的數(shù)據(jù)分組和節(jié)點自身生成的數(shù)據(jù)分組，而且第一層圓環(huán)中的節(jié)點只能將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點只能逐個接收每個節(jié)點的數(shù)據(jù)分組，所以第一層圓環(huán)中的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)相應的子周期內需要最多的時隙。所以，m應當滿足

其中，N為網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)量，ρ為節(jié)點分布密度，SA為監(jiān)控區(qū)域面積。

6.2 參數(shù)ω分析

如圖8所示，任一節(jié)點Q位于圓環(huán)Ci，與sink的距離為r。深色區(qū)域為節(jié)點Q的下一跳可達區(qū)域，即位于該區(qū)域的節(jié)點才能夠接收節(jié)點Q的數(shù)據(jù)，若該區(qū)域沒有節(jié)點，則造成該節(jié)點無法連通，并發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[18]，因節(jié)點均勻分布，所以節(jié)點的部署服從泊松分布，于是，可通過式(18)計算該節(jié)點可以連通的概率p。

其中，Sq為節(jié)點下一跳可達區(qū)域的面積。顯然，p與Sq正相關。根據(jù)式(11)，ω（0＜ω＜1）的大小決定了圓環(huán)的寬度d。若ω越大，則d越大，網(wǎng)絡中的圓環(huán)數(shù)量越少，但節(jié)點的可達區(qū)域（尤其是位于圓環(huán)外邊緣的節(jié)點）的面積越小，網(wǎng)絡連通性變差；ω變小，節(jié)點的可達區(qū)域面積增加，網(wǎng)絡連通性變好，但是d減小造成網(wǎng)絡中的圓環(huán)數(shù)量增加，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚的總能耗也隨之增加。所以，在滿足節(jié)點的連通的概率p大于門限值pt的情況下，合理選擇ω的值。要使p＞pt，則根據(jù)式(18)，Sq要滿足

圖8 任意節(jié)點Q的下一跳可達區(qū)域

若Q位于圓環(huán)Ci的外邊緣上(r=id)，結合圖8，Sq可通過式(20)獲得。

顯然，位于圓環(huán)Ci的外邊緣上節(jié)點的Sq小于該圓環(huán)內其他節(jié)點的Sq，若位于圓環(huán)Ci的外邊緣上節(jié)點的Sq滿足式（19），則所有節(jié)點的連通性可以得到保證。因網(wǎng)絡中圓環(huán)數(shù)量有限，采用一種啟發(fā)式算法來快速獲得該問題的近似解，描述如下。

1)ω初值取0.99；

2) 利用式(11)計算圓環(huán)的寬度d；

3) 利用式(20)計算每層圓環(huán)的外邊緣節(jié)點的Sq，然后利用式(19)判斷這些節(jié)點的連通的概率p是否大于門限值pt；若均滿足條件，則確定ω的值，并退出；否則ω=ω-Δ(Δ為一較小的數(shù)，如0.1)，返回步驟2)。

7 性能分析

7.1 模擬實驗環(huán)境設置和參數(shù)

利用 OPNET作為模擬實驗平臺，對所提DDSM機制進行評估和分析。仿真實驗中，所有節(jié)點均勻分布于一個半徑為L的圓中，匯聚節(jié)點位于圓心處，且整個圓被劃分為n個寬度為d的圓環(huán)。如無特別指定，所有的實驗參數(shù)設置如表3所示。

表3 模擬參數(shù)

根據(jù)式(7)和表3中的參數(shù)，可以計算出節(jié)點的最大無線傳輸距離R=125 m。正如本文4.1節(jié)所述，為了避免隱藏節(jié)點問題，需要減小節(jié)點發(fā)送感應數(shù)據(jù)的最大發(fā)送功率，從而減小接收節(jié)點的干擾節(jié)點區(qū)域。于是，節(jié)點發(fā)送感應數(shù)據(jù)的最遠距離由R縮短為rm（式(10)），而每層圓環(huán)的寬度d也隨之調整（式(11)）。

另外，為了確保網(wǎng)絡具有很好的連通性，假設節(jié)點連通的概率門限值pt=0.95，使用6.2節(jié)中的啟發(fā)式算法來獲取合理的ω值，使所有節(jié)點連通的概率p大于pt，同時使用式(11)計算此時每層圓環(huán)的寬度d。經(jīng)計算，可得ω=0.6，d=33.5 m。如無特別值，ω和d分別設置為0.6和33.5 m。

根據(jù)相應的仿真參數(shù)，實驗中所采用網(wǎng)絡的拓撲結構如圖9所示。其中，匯聚節(jié)點位于圖中心。

圖9 網(wǎng)絡拓撲結構（n=3）

7.2 實驗結果

7.2.1 不同參數(shù)取值對網(wǎng)絡性能的影響

根據(jù)式(11)，ω的取值會改變網(wǎng)絡中每層圓環(huán)的寬度。首先分析ω的不同取值對網(wǎng)絡連通性的影響。

圖10反映了不同ω的取值下，通過式(18)與式(20)計算獲得的網(wǎng)絡中節(jié)點最低連通概率。當ω的值越大時，根據(jù)式(11)，圓環(huán)的寬度也就越大，但是每層圓環(huán)外邊緣的節(jié)點可以選擇的下一跳節(jié)點的范圍也就越小，以至于影響網(wǎng)絡的連通性。

圖 11反映了不同ω的取值下，網(wǎng)絡采用DDSM機制運行120 min后節(jié)點數(shù)據(jù)分組的成功到達率(指到達匯聚節(jié)點)。從圖中可以看出，當ω＞0.6時，數(shù)據(jù)分組的成功到達率明顯下降，這與分析計算結果吻合，說明分析正確。后面的實驗中，為保證網(wǎng)絡的連通性，門限值pt取值0.95，ω則取值0.6。

圖10 不同ω下的節(jié)點最低連通概率（n=3）

圖11 不同ω下的數(shù)據(jù)分組成功到達率（n=3）

接下來分析節(jié)點允許轉發(fā)的節(jié)點數(shù)量最大門限值τ對數(shù)據(jù)分組的成功到達率的影響。當τ的取值比較小時，每個節(jié)點作為中繼節(jié)點，允許轉發(fā)的節(jié)點數(shù)量得到了嚴格的限制，避免了個別節(jié)點頻繁被作為中繼節(jié)點，從而過早地耗盡了能量。但是如果τ的取值過小，部分節(jié)點可能會找不到下一跳目的節(jié)點，從而影響了網(wǎng)絡的連通性。圖 12給出了不同的τ值對數(shù)據(jù)分組的成功到達率的影響，從τ=2開始，數(shù)據(jù)分組成功到達率逐漸提高，當τ=4時，數(shù)據(jù)分組成功到達率達到了90%。

7.2.2 與其他數(shù)據(jù)收集機制比較

為了評估 DDSM 的性能，比較 AIMRP[9]、S-MAC[5]、LEMMA[12]和DDSM這4種數(shù)據(jù)收集協(xié)議在數(shù)據(jù)分組成功到達率和功耗方面的性能。S-MAC協(xié)議中，假設節(jié)點采用最小跳路由到達匯聚節(jié)點。

如圖13所示，在4種數(shù)據(jù)收集協(xié)議都不允許數(shù)據(jù)分組發(fā)送失敗重傳的條件下，比較4種協(xié)議的數(shù)據(jù)分組成功到達率。從圖 13可以看出，當圓環(huán)的數(shù)量增加時，即網(wǎng)絡的規(guī)模擴大時，采用AIMRP和S-MAC這2種協(xié)議的數(shù)據(jù)分組成功到達率不斷下降，而DDSM和LEMMA的數(shù)據(jù)分組成功到達率則基本維持在90%以上。這是因為AIMRP協(xié)議每次發(fā)送數(shù)據(jù)分組都需要通過 RTR/CTR/DATA/ACK握手機制實現(xiàn)，過程繁瑣，動態(tài)適應性差，只能適用于小范圍的事件驅動型傳感器網(wǎng)絡。S-MAC協(xié)議采用周期性的偵聽/睡眠機制，其偵聽/睡眠時間不能根據(jù)網(wǎng)絡中負載的變化動態(tài)調整，而且 S-MAC協(xié)議采用退避發(fā)送機制來降低節(jié)點間碰撞的概率，當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量增加，采用 S-MAC協(xié)議網(wǎng)絡的信道碰撞的幾率急劇增大，易導致網(wǎng)絡堵塞，使網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)分組成功到達率急劇下降。而本文所提的DDSM和LEMMA都采用TDMA機制，充分考慮了干擾和沖突避免，數(shù)據(jù)匯聚階段沒有數(shù)據(jù)碰撞重傳的問題，所以網(wǎng)絡規(guī)模的擴大對數(shù)據(jù)分組成功到達率影響不大。

圖12 不同τ下的數(shù)據(jù)分組成功到達率（n=3）

圖13 不同圓環(huán)總數(shù)下數(shù)據(jù)分組成功到達率

圖14給出了網(wǎng)絡采用4種數(shù)據(jù)收集協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)采集周期(T)下的數(shù)據(jù)分組成功到達率。從圖 14中可以看出，當數(shù)據(jù)采集周期變大時，即節(jié)點的感應數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生頻率降低時，網(wǎng)絡采用DDSM 和 LEMMA協(xié)議時的數(shù)據(jù)分組成功到達率基本保持不變，且維持在90%以上，這是由于這2種協(xié)議采用TDMA機制；而AIMRP和S-MAC這2種協(xié)議的數(shù)據(jù)分組成功到達率則相應增加，這是由于隨著感應數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生頻率的降低，節(jié)點間碰撞的概率也相應降低。

圖14 不同數(shù)據(jù)采集周期下數(shù)據(jù)分組成功到達率

圖15給出了網(wǎng)絡采用4種數(shù)據(jù)收集協(xié)議在不同的節(jié)點分布密度下數(shù)據(jù)分組成功到達率。從圖15可以看出，當節(jié)點分布密度增加時，即網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量增加，DDSM和LEMMA變化不大，保持在90%以上。DDSM的數(shù)據(jù)分組成功到達率甚至略有增加，這是因為節(jié)點數(shù)量的增加提高了節(jié)點下一跳可以連通的概率（式(18)），而AIMRP和S-MAC這2種協(xié)議的數(shù)據(jù)分組成功到達率則不斷下降，這是因為節(jié)點數(shù)量的增加也增加了網(wǎng)絡信道碰撞的幾率。

圖15 不同節(jié)點分布密度下數(shù)據(jù)分組成功到達率

圖16給出了網(wǎng)絡采用3種數(shù)據(jù)收集協(xié)議時節(jié)點平均功耗的比值，分別是AIMRP與DDSM的比值，以及S-MAC和DDSM的比值。圖16充分體現(xiàn)了DDSM能量高效的特點，也說明了DDSM中采用的 TDMA機制非常適合無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)省能量的要求，當網(wǎng)絡中的節(jié)點建立了優(yōu)化路由與時隙調度表后，在感應數(shù)據(jù)向匯聚節(jié)點傳輸?shù)倪^程中不需要多余的控制信息，也沒有數(shù)據(jù)碰撞重傳的問題；AIMRP協(xié)議中的RTR/CTR/DATA/ACK握手機制，過程繁瑣且耗能；S-MAC協(xié)議要求節(jié)點周期性的偵聽，并且節(jié)點還需要周期性的廣播自己的調度信息，這都大量的消耗了節(jié)點的能量。需要注意的是，圖 16中，在網(wǎng)絡中僅有一個圓環(huán)時，與網(wǎng)絡中具有多個圓環(huán)的情況相比，DDSM中節(jié)點的平均功耗要遠低于其他2種數(shù)據(jù)收集協(xié)議，這是因為網(wǎng)絡中僅有一個圓環(huán)時，節(jié)點不再需要轉發(fā)來自外層圓環(huán)中節(jié)點的數(shù)據(jù)，只需要把自身感應數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點，所以在DDSM中，此時節(jié)點無需進入偵聽狀態(tài)，也就降低了節(jié)點的功耗?？梢姡臻e偵聽的能耗在節(jié)點的總能量消耗中占據(jù)了較大的比例。

圖16 采用不同協(xié)議時節(jié)點平均功耗的比值

圖17給出了網(wǎng)絡分別采用DDSM和LEMMA協(xié)議時，在不同圓環(huán)的總數(shù)下節(jié)點的平均功耗?？梢钥闯?，網(wǎng)絡采用LEMMA協(xié)議時，節(jié)點的功耗較高，這是因為LEEMA采用的最小跳數(shù)路由并不一定是最小能耗路由，其節(jié)能效果不如DDSM。

圖18反映了網(wǎng)絡分別采用DDSM和LEMMA協(xié)議時，在不同圓環(huán)的總數(shù)下網(wǎng)絡的生命周期比較。其中，網(wǎng)絡中各節(jié)點的初始能量為1 mJ，網(wǎng)絡的生命周期值定義為從網(wǎng)絡開始運行持續(xù)到網(wǎng)絡中 1%的節(jié)點耗盡能量為止?？梢钥闯?，網(wǎng)絡采用DDSM 協(xié)議時的生命周期較網(wǎng)絡采用 LEMMA協(xié)議時長，這是因為DDSM中，節(jié)點在選擇路由時既考慮了路由的能耗，又限制了節(jié)點作為中繼節(jié)點的次數(shù)，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。

圖17 DDSM和LEMMA下節(jié)點的平均功耗

圖18 DDSM和LEMMA下網(wǎng)絡的生命周期比較

8 結束語

本文分析了大規(guī)模的周期匯報型無線傳感器網(wǎng)絡的特點，并針對大規(guī)模的周期匯報型無線傳感器網(wǎng)絡提出了一種基于分布式與聯(lián)合優(yōu)化的數(shù)據(jù)匯聚機制(簡稱 DDSM)。該機制采用分布式與跨層設計的思想，融合MAC層與網(wǎng)絡層功能，設計基于分布式的跨層數(shù)據(jù)匯聚機制及其實現(xiàn)算法，有效提高了網(wǎng)絡的能量利用效率，降低了網(wǎng)絡的成本，延長了網(wǎng)絡的生命周期。

[1] 朱紅松, 孫利民, 徐勇軍等. 基于精細化梯度的無線傳感器網(wǎng)絡匯聚機制及分析[J]. 軟件學報,2007,18(5): 1138-1151.ZHU H S, SUN L M, XU Y J,et al. Mechanism and analysis on fine-grain gradient sinking model in wireless sensor networks[J].Journal of Software, 2007, 18(5):1138-1151.

[2] 王辛果, 張信明, 陳國良. 時延受限且能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡跨層路由[J]. 軟件學報, 2011,22(7):1626-1640.WANG X G, ZHANG X M, CHEN G L. Delay- constrained and energy-efficient cross-layer routing in wireless sensor networks[J]. Journal of Software, 2011, 22 (7):1626-1640.

[3] LUCAS D P, MENDES, JOEL J P C,et al. A survey on cross-layer solutions for wireless sensor networks[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2011, 34(2):523-534.

[4] WENDI B. HEINZELMAN, ANANTHA P,et al. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Trans. Wireless Comm., 2002, 1(4):660-670.

[5] YE W, JOHN H,et al. An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[A]. Proc IEEE INFOCOM[C]. 2002.1567-1576.

[6] 李哲濤,朱更明,王志強等.低占空比、低碰撞的異步無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議[J].通信學報, 2013,34(10):9-16.LI Z T, ZHU G M, WANG Z Q,et al. Low duty cycle and low collision asynchronous MAC protocol for wireless sensor network[J].Journal on Communications, 2013,34(10):9-16.

[7] GEOFFREY G. MESSIER, JENNIFER A,et al, DAVIES. A sensor network cross-layer power control algorithm that incorporates multiple-access interference[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(8):2877-2883.

[8] 李方敏, 劉新華, 徐文君等. 無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路穩(wěn)定成簇與功率控制算法[J]. 計算機學報, 2008, 31(6): 968-978.LI F M, LIU X H, XU W J,et al. Link-stable clustering and power control for wireless sensor networks[J]. Chinese Journal of Computers,2008, 31(6):968-978.

[9] KULKARNI S, IYER A, ROSENBERG C. An address-light, integrated MAC and routing protocol for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking, 2006, 14(4):793-806.

[10] SHI L Q, ABRAHAM O, FAPOJUW O. TDMA scheduling with optimized energy efficiency and minimum delay in clustered wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2010,9(7):927-940.

[11] 鄭國強, 李建東, 周志李. 多跳無線傳感器網(wǎng)絡的高能效數(shù)據(jù)收集協(xié)議[J]. 軟件學報, 2010, 21(9): 2320-2337.ZHENG G Q, LI J D, ZHOU Z L. Energy-efficient data gathering protocol for multihop wireless sensor networks[J]. Journal of Software,2010, 21(9): 2320-2337.

[12] MACEDO M, GRILO A, NUNES M. Distributed latency-energy minimization and interference avoidance in TDMA wireless sensor networks[J]. Computer Networks, 2009, 53(5):569-582.

[13] 曾志文, 陳志剛, 劉安豐. 無線傳感器網(wǎng)絡中基于可調發(fā)射功率的能量空洞避免[J], 計算機學報, 2010, 33(1):12-22.ZENG Z W, CHEN Z G, LIU A F. Energy-hole avoidance for WSN based on adjust transmission power[J]. Chinese Journal of Computers,2010, 33(1):12-22.

[14] RAPPAPORT T. Wireless Communications: Principles and Practice[M]. Prentice Hall, New Jersey, 1996.

[15] 張克旺,張德運,杜君.面向多跳無線網(wǎng)絡的無沖突MAC協(xié)議[J]. 軟件學報, 2009,20(7):1895-1908.ZHANG K W,ZHANG D Y,DU J. Collision free MAC protocol for multi- hop wireless networks[J]. Journal of Software, 2009,20(7):1895-1908.

[16] XU K X, GERLA M, SANG B. How effective is the IEEE 802.11 RTS/CTS handshake in ad hoc networks[A]. Proc of the IEEE Global Telecommunications Conf[C]. 2002.72-76.

[17] 吳小兵,陳貴海.無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點非均勻分布的能量空洞問題[J].計算機學報,2008,31(2):253-261.WU X B, CHEN G H. The energy hole problem of nonuniform node distribution in wireless sensor networks [J]. Chinese Journal of Computers,2008,31(2):253-261.

[18] WANG Y, WANG X D, XIE B,et al. Intrusion detection in homogeneous and heterogeneous wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2008,7(6):698-711.